基于OPNET的智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能分析

于 翰,王學(xué)斌

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司,蘭州 730070;2.國網(wǎng)蘭州供電公司,蘭州 730070)

?

基于OPNET的智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能分析

于 翰1,王學(xué)斌2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司,蘭州 730070;2.國網(wǎng)蘭州供電公司,蘭州 730070)

通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?GOOSE) 是IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)中定義的變電站通用事件模型,是用于智能變電站滿足IED設(shè)備之間快速交換實時數(shù)據(jù)的需求。為此,在監(jiān)控網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)合一即所謂兩網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,利用電力通信同步仿真平臺(EPOCHS)進行通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真。通過對GOOSE及采樣值(SAV) 實時性的仿真分析結(jié)果可知,全站統(tǒng)一式通信網(wǎng)絡(luò)通過合理劃分VLAN和設(shè)置優(yōu)先級可以滿足智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的功能要求,研究結(jié)論可為報文優(yōu)先級、網(wǎng)絡(luò)帶寬及組網(wǎng)的創(chuàng)新拓展提供理論依據(jù)。

兩層一網(wǎng);數(shù)據(jù)流量;VLAN;OPNET

當(dāng)前智能變電站配置站控層、間隔層和過程層,以及采樣值(SV)網(wǎng)和通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?GOOSE)網(wǎng)合一的三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1-2]。但隨著對IEC61850規(guī)約的深入研究以及電子式互感器、斷路器等技術(shù)的發(fā)展,利用共網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)制造報文規(guī)范(MMS)與GOOSE以及SV的共網(wǎng)傳輸具有更大意義。然而,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是智能變電站的神經(jīng)系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)通信性能決定了自動化系統(tǒng)的可用性,且實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)最大限度共享的同時也加大了網(wǎng)絡(luò)時延和負(fù)荷的不確定性,因此對并網(wǎng)后的通信網(wǎng)絡(luò)研究很有必要[3-5]。

本文對組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提出兩層一網(wǎng)結(jié)構(gòu)。首先分析變電站信息傳輸特性,繪制出信息流圖[6];并采用220/66kV智能變電站為算例模型,通過基本的數(shù)學(xué)模型計算出所選變電站的網(wǎng)絡(luò)信息流量和SV報文網(wǎng)絡(luò)延時;根據(jù)計算結(jié)果對通信網(wǎng)絡(luò)進行VLAN劃分,通過OPNET軟件分析網(wǎng)絡(luò)性能,對比有無VLAN時數(shù)據(jù)流量及網(wǎng)絡(luò)延時,驗證兩層一網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可行性[7-10]。

1 OPNET仿真機制

1.1 采用基于離散事件驅(qū)動的仿真機制

仿真開始前設(shè)定一個仿真時間T,仿真的實際時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T。這是因為OPNET仿真的時間都消耗在兩個方面:一是某一決策點上網(wǎng)絡(luò)進行決策的耗時T1;二是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化過程時長T2。在這兩種時間段內(nèi)反映網(wǎng)絡(luò)性能的數(shù)據(jù)才是仿真統(tǒng)計分析的依據(jù)。為了仿真結(jié)果真實,這兩種時間段不是連續(xù)的,是離散分布的。網(wǎng)絡(luò)模型不變化不決策的時間段對應(yīng)的實際時間都為0 s。通過以上描述可以看出

T=nT1+mT2

(1)

1.2 采用基于包的通信機制

不同領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)差異性較大,所以不僅對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點設(shè)備建模,還要針對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)建模。包就是仿真建模而來的數(shù)據(jù),用于模擬數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。節(jié)點模型的內(nèi)部進程模擬數(shù)據(jù)處理就是對包的處理。

1.3 采用層次化建模機制

主要體現(xiàn)在OPNET軟件中提供NetworkEditor進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?、NodeEditor進行節(jié)點設(shè)備建模和ProcessEditor進行運行程序建模。

2 組網(wǎng)性能理論計算及VLAN配置

2.1 報文流量及延時計算

設(shè)定annouce,Sync,Follow-Up報文發(fā)送周期為1s,delay報文發(fā)送周期為8s,且均同時發(fā)送。依據(jù)式(1),計算情況4的報文流量為

Q4=(82+64+64+72+72)×8=3408bit/s

基于以上計算,在最惡劣條件下,可以得到變電站組網(wǎng)流量如表1所示。

本文設(shè)定SV采樣周期是80點/周、報文長度為125字節(jié),則LSF=125×8/100=10μs,包含10個MU的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載η%=L×10/100=50×80×125×8×10/100=40%,L為網(wǎng)絡(luò)帶寬,可以得到SV傳輸?shù)臅r延為10+10+5+4=29μs。

2.2 優(yōu)化組網(wǎng)的VLAN配置

將過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)合并為一個統(tǒng)一

網(wǎng)絡(luò),采用VLAN技術(shù)。采用全站統(tǒng)一式的智能配電變電站通信網(wǎng)絡(luò)為對象進行針對性研究。原因是66kV的智能配電變電站數(shù)量巨大,而且多為終端變電站,由于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)延時較長,此變電站采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中包括2個66kV進線間隔、1個66kV母線分段間隔、2個主變間隔、4個10kV饋線間隔(后期可擴展)、1個10kV母線間隔。66kV側(cè)采用單母分段接線,10kV側(cè)采用雙母線接線,每個間隔配置1臺交換機,各間隔通過中央交換機連接到站控設(shè)備和服務(wù)器。中央交換機采用三層的高性能工業(yè)級交換機,網(wǎng)絡(luò)選擇100Mbit/s帶寬,綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

圖1采用全站統(tǒng)一式的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案,而本方案在按照間隔劃分方案的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了跨間隔與跨層劃分VALN,能在實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的同時,更加有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,VLAN劃分方案如表2所示。

VID-210-290實現(xiàn)站控層與間隔層跨層通信,消除了SV報文對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響,站控設(shè)備發(fā)布的命令可以快速到達(dá)終端設(shè)備;VID-7010-7020與VID-7130-7160實現(xiàn)跨間隔通信,母線故障時可以進行聯(lián)動,并限制其他間隔的SV報文流向母線間隔;VID-10-60、VID-70-71與VID-80-90都是面向間隔進行劃分,在本間隔內(nèi)通信實現(xiàn)“直接采樣、直跳跳閘”功能,并有效降低通信延時,提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

間隔1故障的數(shù)據(jù)流向如圖2所示。在合理劃分VLAN之后,饋線間隔1故障時,饋線間隔1的保護控制IED發(fā)布跳閘命令將母聯(lián)斷路器和饋線間隔1的斷路器跳閘,并且快速返回一個GOOSE報文,此種方案可以最大限度減少網(wǎng)絡(luò)流量,減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

表1 星型網(wǎng)流量計算

圖1 統(tǒng)一式通信網(wǎng)絡(luò)配置圖

VID VLAN包含的設(shè)備2站控設(shè)備和服務(wù)器210-290站控設(shè)備和服務(wù)器分別與每個間隔的保護控制IED和智能終端7010-702066kV母線間隔的MU、保護控制IED、智能終端與66kV側(cè)每個間隔保護控制IED、智能終端7130-716010kV母線間隔的MU、保護控制IED、智能終端與10kV側(cè)每個間隔保護控制IED、智能終端10-6066kV進線和10kV饋線各自間隔中的MU和保護控制IED、智能終端70-7166kV母線、10kV母線各自間隔中的MU和保護控制IED、智能終端80-90變壓器間隔1或2中的MU、保護控制IED、智能終端

圖2 間隔1故障的數(shù)據(jù)流向

2.3 OPNET仿真及對比分析

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)設(shè)置

優(yōu)化組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)選用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以使用網(wǎng)絡(luò)編輯器(Network Editor)快速鋪設(shè)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中央交換機采用三層的工業(yè)級交換機,此類交換機具有鏈路匯聚功能,其他間隔交換機使用二層交換機。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于繼電保護等應(yīng)用的高實時性,IEC61850 支持直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層,GOOSE和SV協(xié)議棧只采用了OSI中的4層,并采用IEEE802.1Q、IEEE802.1P協(xié)議,其目的是提高可靠性和降低傳輸延時。MMS報文基于IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn),協(xié)議棧利用ISO的所有7層協(xié)議,這類報文傳輸實時性要求相對于GOOSE和SV報文要低。故在仿真設(shè)置參數(shù)時,過程層的MU和站控層的服務(wù)器可以直接取用 ethernet-station-adv 節(jié)點模型,因為它模擬的是4層協(xié)議的節(jié)點模型,省去了會話層、傳輸層以及網(wǎng)絡(luò)層的高層協(xié)議開銷,讓其模擬合并單元產(chǎn)生 SV 數(shù)據(jù)報文,基本符合 IEC 61850 規(guī)定的要求。除此之外,全站所有的斷路器IED、保護&控制IED等設(shè)備都由 ethernet-wkston-adv節(jié)點模型來模擬。ethernet-station-adv和ethernet-wkston-adv節(jié)點內(nèi)部模型如圖4所示。

圖3 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 四層節(jié)和七層節(jié)點模型圖

仿真為避免數(shù)據(jù)集中發(fā)送影響仿真結(jié)果,設(shè)置在不同時刻發(fā)送,SV從0 s開始直到仿真結(jié)束,在5 s開始上傳設(shè)備狀態(tài)信息,8 s時刻設(shè)置66 kV饋線間隔1故障跳閘,從8 s到12 s之間設(shè)置為開始發(fā)送GOOSE報文,其中T0=500 ms,按T1=2 ms,T2=3 ms,…,間隔發(fā)送。11 s開始用FTP模擬站控設(shè)備到服務(wù)器之間的大文件傳輸。仿真數(shù)據(jù)流量配置如表3所示。GOOSE行為由 Task Config自定義的應(yīng)用服務(wù),通過多次重復(fù)業(yè)務(wù)主詢實現(xiàn)其傳輸機制,采用不可靠的無連接 UDP 協(xié)議以減少網(wǎng)絡(luò)延時。由于GOOSE報文是心跳報文,所以GOOSE 報文采用 ON/OFF 機制,發(fā)送報文的時間間隔為1 ms,其中ON 狀 態(tài) 的 出 現(xiàn) 服 從pareto(1.1,0.000 512) 分布,并產(chǎn)生GOOSE報文,而 OFF 狀態(tài)的出現(xiàn)服從參數(shù)為Poission(50)的負(fù)指數(shù)分布。文件傳輸采用的是TCP 協(xié)議,根據(jù)IEC 61850中的實時性要求,把GOOSE報文和跳閘報文設(shè)置為7級,可以讓GOOSE報文和跳閘命令報文具有優(yōu)先的發(fā)送權(quán)和接收權(quán)。按照VLAN方案進行設(shè)置,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SV報文和GOOSE報文傳輸時延不得超過3 ms,對其他類型報文實時性要求不高。因此,對設(shè)備狀態(tài)信息和文件傳輸報文只是為了構(gòu)成綜合傳輸場景,以便更加真實地模擬變電站數(shù)據(jù)流,仿真主要考察有無VLAN情況下SV報文和GOOSE報文的傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對比情況。

2.3.2 仿真結(jié)果分析

2.3.2.1 100 Mbit/s交互式交換機采樣值仿真

模型包括10 kV母差保護、多個合并單元MU、核心交換機、各間隔交換機等,采用全站唯一星形網(wǎng)絡(luò)母差保護直接連到核心交換機,采樣值通信采用IEC61850-9-2協(xié)議,報文長度為171字節(jié),采樣頻率為80點/周波,組織多路MU同時向10 kV母差保護發(fā)送采樣值,仿真結(jié)果如圖5所示。

表3 仿真數(shù)據(jù)流量配置

圖5 母線保護采樣值延時

由仿真結(jié)果可以看出:1)當(dāng)采用100 Mbit/s交換式以太網(wǎng)時,信息傳輸上限約為91 Mbit/s;2)當(dāng)母差保護的吞吐量小于90 Mbit/s時,網(wǎng)絡(luò)的采樣值時延可以達(dá)到SV報文傳輸?shù)募s束條件,且不會出現(xiàn)發(fā)散及丟包現(xiàn)象;3)如果把采樣頻率提高,鏈路利用率為91%的采樣值出現(xiàn)發(fā)散,而低于91%的鏈路不會發(fā)散,則可知鏈路吞吐量和報文的幀大小發(fā)送頻率等都會影響交換式以太網(wǎng)的傳輸性能;4)設(shè)定母差保護的MU每周期采樣為80點,則需帶寬為5.47 Mbit/s,而通常帶寬的上限最多為16.64個MU;5)當(dāng)母差保護需要較多的MU采樣值時,就需要考慮采用1000 Mbit/s通信鏈路,并要求采用高性能的處理器用于母差保護。

2.3.2.2 饋線間隔故障時仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù):1)F1饋線出現(xiàn)故障;2)繼電保護設(shè)備的主頻為100 MHz,其背景使用率通常為0%;3)本間隔MU的采樣值由保護設(shè)備接收,采樣頻率為80點/周波;4)本間隔斷路器跳閘GOOSE報文由保護裝置發(fā)送;5)當(dāng)線路發(fā)生故障時保護裝置向站控層的服務(wù)器上傳文件(文件比例為50%)。對比有無VLAN對全站統(tǒng)一式通信網(wǎng)絡(luò)延時的影響。運行OPNET仿真模型,仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 中央交換機網(wǎng)絡(luò)負(fù)載圖

圖6給出了中央交換機的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。前8s為正常狀態(tài),在劃分了VLAN的網(wǎng)絡(luò)中,可以看出在前5 s中央交換機收包率為0 packets/s,5 s后收到設(shè)備狀態(tài)信息,在8 s開始由于饋線間隔1故障有GOOSE報文而有小幅度上升,11 s收到FTP文件而有一個上升。通過對比可以看出,若不劃分VLAN,前5s保護控制IED會因為SV廣播而收到其他間隔的SV報文,總共接收32 000 packets/s,加重交換機負(fù)載,劃分VLAN后,SV報文只在本間隔傳輸,中央交換機不會收到其他間隔SV報文,這樣可以有效減輕中央交換機負(fù)載,這可以保障實現(xiàn)全站統(tǒng)一式網(wǎng)絡(luò)。

圖7給出了故障間隔通信網(wǎng)絡(luò)的延時對比圖。在劃分VLAN之后,網(wǎng)絡(luò)延時明顯減少,而且在故障時延時抖動較小,有利于保護功能的速動性和可靠性。并且在5s前在本間隔傳輸?shù)膬H僅為SV報文,網(wǎng)絡(luò)延時大約為2 s,與理論計算結(jié)果符合,由此證明OPNET仿真結(jié)果是可靠的。

圖7 故障間隔的網(wǎng)絡(luò)延時

2.3.2.3 10 kV母線I間隔故障時仿真結(jié)果

仿真條件:1)10kV母線I發(fā)生故障;2)10 kV母差保護裝置同時接收4個跨間隔采樣值,然后向相應(yīng)的4個智能斷路器發(fā)送跳閘GOOSE報文,同樣采用VLAN與優(yōu)先級標(biāo)記技術(shù),其他仿真條件同場景1。對比有無VLAN對全站統(tǒng)一式通信網(wǎng)絡(luò)延時的影響。

圖8給出了中央交換機的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。如果沒有VLAN和優(yōu)先級標(biāo)記,中央交換機網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率很高而且網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定,有形成廣播風(fēng)暴的危險,造成網(wǎng)絡(luò)阻塞;在劃分了VLAN的網(wǎng)絡(luò)中母線故障后,因為有GOOSE報文出現(xiàn)而有小幅度上升,但是網(wǎng)絡(luò)性能較好。

圖9給出了母線間隔和其他間隔通信網(wǎng)絡(luò)的延時對比圖。沒有VLAN時,報文傳輸延時明顯比劃分VLAN的要大,而且抖動十分明顯,不利于保護功能的速動性和可靠性;在劃分VLAN后,延時抖動較小,有利于保護快速動作,提高網(wǎng)絡(luò)利用率,降低網(wǎng)絡(luò)延時。

圖8 中央交換機網(wǎng)絡(luò)負(fù)載圖

圖9 母線間隔的網(wǎng)絡(luò)延時

3 結(jié) 論

本文對智能變電站的全站數(shù)據(jù)流進行數(shù)學(xué)建模,進而根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流特點設(shè)置仿真參數(shù),利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,驗證了在饋線故障和母線故障這種極端情況下的通信網(wǎng)絡(luò)性能。得出了全站統(tǒng)一式通信網(wǎng)絡(luò)通過合理劃分VLAN和設(shè)置優(yōu)先級可以明顯抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴,降低延時抖動。并驗證了兩層一網(wǎng)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)通信方面的正確性,可以滿足智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的功能要求。這種方案可以實現(xiàn)最大程度的數(shù)據(jù)共享,優(yōu)越性十分明顯。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Analysis of network performance of intelligent substation based on OPNET

YU Han1, WANG Xuebin2

(1.Maintenance Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China;2.Lanzhou Power Supply Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China)

Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) is the generic substation object model defined in IEC61850 standard, used to meet the requirements of fast exchange of real-time data between IED for intelligent substation.On the basis of the integrated network structure, which is called the unity of monitor network and GOOSE network, it used EPOCHS to make dynamic simulation of communication network.Through the analysis of GOOSE and sampled value (SAV) of real-time simulation, it shows that global unified communications network, of which VLAN and priorities are rationally set, is able to meet the functional requirements of intelligent substation communication network.Besides, the conclusions of this study can be used as message priority, innovative network bandwidth and network expansion theory.

two layers with one net;date flow;VLAN;OPNET

2016-05-12。

于 翰(1986—),男,工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與控制。

TM63

A

2095-6843(2016)05-0389-06